Limiti degli “elementi beam” per la modellazione della viscosità nei ponti a cassone in c.a. precompresso varati a sbalzo

Ponti in c.a. precompresso: le deformazioni possono dipendere da svariati motivi

I ponti in cemento armato precompresso varati a sbalzo sono spesso soggetti a notevoli sollecitazioni durante il varo. Queste condizioni combinate con il comportamento reologico del calcestruzzo possono portare a spostamenti sostanziali, a volte con flessioni crescenti a lungo termine (Mazloom, 2008). Solitamente, questi effetti vengono opportunamente valutati durante il varo per raggiungere una configurazione rettilinea finale del ponte. Tuttavia, special- mente per effetti a lungo termine, gli spostamenti reali possono essere superiori a quelli previsti dai modelli semplici agli elementi finiti (FE) solitamente impiegati dai professionisti (Malm and Sundquist, 2010). In determinate condizioni, per l'interazione di effetti di viscosità, ritiro e rilassamento, gli spostamenti possono aumentare durante l'intera vita della struttura, determinando notevoli disagi al traffico e alla struttura (Bazant et al., 2008; Malm and Sundquist, 2010).

Inoltre, le deformazioni a lungo termine dei ponti precompressi possono essere influenzate da vari fattori basati sul comportamento igrometrico del cemento, sulla temperatura ambiente, sull'umidità e sulla superficie specifica strutturale (Bažant et al., 2011; Siviero et al., 2006). Lavori recenti mostrano come i risultati della fase finale di ponti varati a sbalzo per conci successivi, siano influenzati dalle fasi di costruzione, come nel caso dei ponti (Granata and Arici, 2013; Granata et al., 2013).

Tra i ponti varati a sbalzo precompressi le cui deformazioni di scorrimento a lungo termine hanno provocato inaspettatamente grandi inflessioni e portato (o avrebbero portato senza alcun intervento di retrofit) al crollo, di primario interesse sono le casse del Ponte Palau e del ponte sul Rio Sinigo (Neulichedl et al., 2008).

L'importanza di studiare il comportamento a lungo termine di queste tipologie di ponti è stata infatti evidenziata da Bazant et al.(Bazant and Hubler, 2014): "Le recenti indagini provocate da un disastro a Palau hanno rivelato che in tutto il mondo ci sono almeno 69 ponti a cassone in cemento armato precompresso a campata lunga che hanno subito eccessive deformazioni. Di particolare interesse è anche il caso dei ponti modulari in precompresso varati simmetricamente per conci successivi.
È il caso dei ponti “Navile” e “Sa Pruna”, due ponti prefabbricati a cassone varati a sbalzo per conci successivi, siti sulla costa orientale della Sardegna. Per entrambi i ponti si sono verificate, subito dopo la loro entrata in servizio, grandi deformazioni in corrispondenza alle estremità e in prossimità del giunto di dilatazione centrale (Giaccu et al., 2012).

Il comportamento a lungo termine di questi due ponti può essere considerato peculiare per questa tipologia strutturale, così come gli interventi di retro- fit necessari per limitarne le inflessioni dovute ai fenomeni reologici del calcestruzzo, è da notare che, in assenza di tali interventi, gli spostamenti sarebbero stati incompatibili con le condizioni di esercizio dei ponti.
Per studiarne il comportamento dipendente dal tempo, ne è stato sviluppato un accurato modello FE, che tiene conto della viscosità, ritiro e rilassamento, con l'obiettivo di replicare accuratamente le fasi di costruzione e gli interventi di manutenzione ordinaria e straordinaria eseguiti durante tutta la vita della struttura. Ai fini di un raffronto, sono stati utilizzati due diversi modelli di viscosità, il modello CEB-FIP Model Code 2010 (MC 2010, CEB-FIP model code 2010. 6th ed. London: Thomas Telford, 2012) e il modello RILEM B3 (Bazant and Baweja, 1996), con l'obiettivo di replicare un comportamento strutturale realistico in termini di spostamenti e azioni interne.

Caratteristiche reologiche dei materiali

La risposta strutturale dei ponti varati a sbalzo per conci successivi è profondamente influenzata dalle proprietà materiali. È di fondamentale importanza considerare l'evoluzione nel tempo delle proprietà reologiche dei materiali, in particolare quelle del calcestruzzo e dell'acciaio armonico. Mentre i secondi sono prevalentemente soggetti a rilassamento, i primi sono soggetti a effetti reologici come ritiro, viscosità e variazione del modulo elastico.

Le proprietà del calcestruzzo dipendenti dal tempo sono difficili da modellare perché le deformazioni dovute alla viscosità sono generalmente correlate in modo non lineare alle sollecitazioni. Nelle applicazioni pratiche, la non linearità può essere trascurata se il livello di sollecitazione di compressione del calcestruzzo è limitato a meno di circa il 40% della resistenza alla compressione del calcestruzzo. I modelli di viscosità lineare sono quindi ampiamente utilizzati, a condizione che questa condizione sia rispettata (MC 2010, CEB-FIP model code 2010. 6th ed. London: Thomas Telford, 2012).

Nel presente lavoro è stata utilizzata la modellazione FE a modelli “beam” con l'obiettivo di simulare le fasi di varo e il comportamento a lungo termine del ponte.

Gli elementi “beam”, grazie alla loro semplice implementazione e del basso costo computazionale, sono ampiamente utilizzati dai professionisti. Naturalmente, tali elementi trascurano alcune caratteristi- che del comportamento reale della struttura (Malm and Sundquist, 2010). Per esempio, a causa della presenza dei cavi di precompressione e della viscosità, le sezioni non si mantengono piane, tali incongruenze possono portare a sottovalutare deformazioni e sollecitazioni sulla struttura (Malm and Sundquist, 2010). Inoltre, i modelli di viscosità lineare sono implementati attraverso il coefficiente di viscosità J(t,t₀) che rappresenta la deformazione dipendente dallo stress unitario costante al tempo t a applicata al tempo t₀ (Levi and Pizzetti, 1951).

Il caso dei ponti in calcestruzzo varati per conci successivi, il cui schema statico varia continuamente durante le fasi di costruzione è un caso particolare complica ulteriormente queste analisi (Chiorino et al., 1980) soprattutto quando l’eventuale retrofitting richiede la modifica dello schema statico della struttura.

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La presente memoria è tratta da Italian Concrete Conference - Napoli, 12-15 ottobre 2022
Evento organizzato da aicap e CTE